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Isolierung von Wicklungsdrähten für elektrische Maschinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Isolierung von Wicklungsdrähten für elektrische Maschinen,
welche aus einer einfachen Glasseidenumspinnung besteht, die mit einem Isolierharz
auf organischer oder siliziumorganischer Basis imprägniert ist.
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Für die Isolierung thermisch besonders beanspruchter elektrischer
Leiter werden für Drähte mit rundem bzw. quadratischem oder rechteckigem Querschnitt
ein- und mehrfache Umspinnungen mit gefachter Glaseide oder Umbandelungen mit gewebtem
Glasseidenband vorgesehen. Die Befestigung der Glasseidenumhüllung auf der Leiteroberfläche
oder bei mehreren Lagen zwischen denselben erfolgt mit einer Isolierharzlösung auf
organischer oder siliziumorganischer Basis mit besonders guten Klebeeigenschaften
und Antrockenbedingungen. Zum Schutz der geringen Abriebfestigkeit von Glasseidenerzeugnissen
und damit zur Erhöhung der mechanischen und elektrischen Festigkeit wird die Oberfläche
der Glasseidenumhüllung des Leiters mehrmals mit einer Isolierharzlösung auf organischer
oder siliziumorganischer Basis imprägniert bzw. lackiert. Diese Oberflächenimprägnierung
bzw. -lackierung hat den Zweck, die Durchmesserunterschiede der Umhüllung auszugleichen,
die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Leiterisolierung zu erhöhen, die Oberflächenbeschaffenheit
der Umhüllung möglichst glatt und griffig zu gestalten und außerdem die mechanische
Festigkeit derselben für die Beanspruchung während der Verarbeitung sicherzustellen.
Die Eigenschaften der auszuwählenden Isolierharzlösungen müssen demnach so beschaffen
sein, daß neben einer bestimmten Härte der Imprägnierungs- bzw. Lackierungsoberfläche
eine genügende Elastizität vorhanden ist, um Rißbildungen beim Wickeln der Drähte
und Verformen der Spulen zu vermeiden. Bei dieser Restelastizität muß allerdings
unbedingt darauf geachtet werden, die Thermoplastizität, die verschiedenen, besonders
siliziumorganischen Isolierharzen anhaftet, zu vermeiden oder in einen Temperaturbereich
zu verschieben, der während der Verarbeitung der Drähte nicht erreicht wird. Durch
die Oberflächenglätte, welche durch den absoluten Auftrag der Lackier- oder Imprägnierschicht
und durch die Härte der letzteren maßgeblich beeinflußt wird, kann zusätzlich die
Abriebfes,tigkeit der gesamten Isolierschicht des Drahtes wesentlich gesteigert
werden; sie hängt aber primär von der Haftfestigkeit der Umhüllung auf der Leiteroberfläche
ab. Die optimale Erreichung der geschilderten Eigenschaften für Drähte mit Glasseidenumhüllungen
nach bisher üblichen Fertigungsverfahren ist begrenzt durch den Isolationsauftrag,
welcher in einem bestimmten Verhältnis zu dem blanken Kupferquerschnitt steht, und
durch die Materialeigenschaften der Glasseidenerzeugnisse und der Bindemittel. Die
bekannten Nachteile der mit textilen Fasern umsponnenen Drähte konnten durch die
Verwendung von Isolierfolien ausgeschaltet werden, indem man meist schmalgeschnittene
Folienbänder auf den blanken Kupferleiter mit einer bestimmten Überlappung aufgesponnen
hat. Die Folienurnspinnung garantiert auf alle Fälle eine gleichmäßige elektrische
Durchschlagsfestigkeit. Der zusätzliche mechanische Schutz wird in vielen Fällen
durch eine weitere Umspinnung mit einer textilen Faser und deren anschließende Lackierung
oder Imprägnierung erreicht. Die Möglichkeiten des Einsatzes einer isolierten Folie
für die Drahtisolierung waren bisher aber immer noch durch die thermische Belastbarkeit
oder durch die mechanischen Eigenschaften begrenzt.
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Um die sehr guten thermischen Eigenschaften von Glasseidenerzeugnissen
für die Leiterisolierung auszunutzen, ist auch bereits ein Verfahren zum Aufbringen
von Glasfasern enthaltenden Isolationssschichten auf elektrische Leiter bekanntgeworden,
bei welchem Glasfasern und Fasern aus einem verflüssigbaren, vorzugsweise organischen,
dielektrischen Material, z. B. auf der Basis eines Kondensationspolymerisates von
Terephthalsäure und Äthylenglykol, zu einem Faden vereinigt bzw. zusammengedrillt
werden, ein oder zugleich mehrere so entstandene Fäden auf den Leiter aufgewickelt
werden und die verflüssigbaren Bestandteile der Fadenlage oder der Fadenlagen vorübergehend
verflüssigt werden, so daß sie zwischen die Glasfasern und auf die Leiter oder eine
auf diesem befindliche Zwischenschicht laufen und nach dem Erhärten die Glasfasern
zusammen und an den Leiter oder die Zwischenschichten binden. Mit diesem Verfahren
ist es möglich, Drahtisolierungen auch für dauernde Temperaturbeanspruchungen bis
etwa 200° C einzusetzen, wenn der organische Anteil, also der Anteil des Polyesterfadens
an der Gesamtisolierung
niedrig gehalten. wird, wobei jedoch beim
Aufschmelzen eine lückenlose Abdeckung der Glasseidenfäden erfolgen soll.
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Der Anteil des Polyesterfadens muß sich also nach den zu umspinnenden
Drahtdurchmessern richten. Nachteilig ist auch die 'erforderliche Lagerhaltung verschiedener
Materialien sowie Fadendicken für den Umspinnungsfaden. Bei einer Isolierung nach
diesem Verfahren ergibt sich für die Umspinnung und Rufschmelzung bei einem Nenndurchmesser
eines runden Cu-Drahtes von 1,29 mm eine Isolationszunahme (Durchmesserzuwachs)
von 0,178 bis 0,183 mm. Die dielektrische Durchschlagsspannung dieser Isolationsdicke
der Mischfädenumspinnung liegt lediglich bei 700 bis 800 Volt, also in der gleichen
Größe wie bei zweifacher Glasseidenumspinnung mit Isolierharzimprägnierung.
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Die Erfindung hat sich diesem Stand der Technik gegenüber zur Aufgabe
gestellt, durch die Verbindung einer Glasseidenumhüllung und einer Umspinnung mit
einer Isolierfolie, die sowohl hinsichtlich ihres thermischelektrischen als auch
ihres mechanischen Verhaltens sehr gute Eigenschaften besitzt, mittels einer thermoplastischen
Imprägnierschicht die Nachteile der bekannten Verfahren auszuschalten, indem Drähte
mit der Isolierung nach dem Anmeldungsvorschlag bei gleicher thermischer Belastbarkeit
höheren Beanspruchungen hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens bei wesentlich
reduziertem Isolationsauftrag ausgesetzt werden können. Die Lösung der gestellten
Aufgabe besteht bei einer Isolierung der eingangs geschilderten Art darin, daß die
Imprägnierschicht durch die chemische Einstellung der für die Imprägnierung zur
Verwendung kommenden Isolierharze, z. B. durch einen Anteil von mindestens 20 0/0
einer Methyl- oder Methyl-Phenyl-Silikon-Harzlösung, ein thermoplastisches Verhalten
aufweist und auf diese Imprägnierschicht eine Folie auf Isophthalsäure oder Terephthalsäure-Polyester-Basis
in Stärke von 10 bis 20[t aufgebracht ist. Es ist also für den Anmeldungsvorschlag
entscheidend, daß die Folie auf eine thermoplastische Imprägnierschicht aufgebracht
ist, während die allgemeine Auffassung dahin ging, daß die an sich vorhandene Thermoplastizität
der Silikonharze bei ihrer Verwendung als Imprägnierharze im allgemeinen unerwünscht
ist, weshalb man alle Folien unabhängig von ihrer Werkstoffbasis auf eine harte
Unterlage, also auf den blanken oder mit einem Drahtlack versehenen Kupferleiter
gesponnen hat. Durch die chemische Einstellung der für die Imprägnierschicht zur
Verwendung kommenden Isolierharze läßt sich erfindungsgemäß eine temperaturstabile
Thermoplastizität der Imprägnierschicht oder eine Verschiebung einer vorhandenen
Thermoplastizität in einen Temperaturbereich, welcher während des Fertigungsverfahrens
zur Anwendung kommt, erreichen. Für die erfindungsgemäße Isolierung ist somit die
sonst als nachteilig empfundene Thermoplastizität der Isolierharze gerade erwünscht,
weil sie eine äußerst innige Verbindung der verschiedenen Isolierschichten vermittelt,
die in- der Art ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften grundverschieden sind.
Diese innige Verbindung bleibt bei der Zuführung von Wärme, beim Einbrennen des
Tränklackes und beim Betrieb der mit der erfindungsgemäßen Isolierung ausgestatteten
Maschinen nicht nur erhalten, sondern sie wird durch die Wirkungen des Zusatzes
der die Thermoplastizität festlegenden Mischkomponente noch erhöht. Die Thermoplastizität
der zwischen Glasseidenumspinnung und Folie liegenden Isolierschicht verursacht
hinsichtlich der Haftfestigkeit der Folie 'und ihrer thermischen Belastbarkeit Wirkungen,
die nicht ohne weiteres zu erwarten waren. Über längere Zeitabschnitte dauernde
Zuführung von Wärme verursacht in Verbindung mit der Schrumpfung der Folie - diese
setzt bekanntlich bei Folien auf Isophthal- und Terephthalsäurebasis bei Temperaturen
zwischen 140 und 150° C ein - eine Art Aufsinterung auf die Oberfläche der Glasseidenumspinnung,
wobei die Durchmesserunterschiede der Glasseidenumspinnung durch die in dünner Schicht
aufgetragene thermoplastische Isolierharzkombination ausgefüllt werden. Die sowohl
hinsichtlich ihrer Temperatur als auch ihrer Gesamtwirkung definierte Thermoplastizität
der Isolierharzkombination macht trotzdem nur einen sehr geringenLackauftrag erforderlich.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung weist ein Wicklungsdraht für Dynamos
beispielsweise einen blanken Durchmesser von 1,4 mm auf. Mit der erfindungsgemäßen
Isolierung versehen ergibt sich bei einwandfreien Isolierungsverhältnissen lediglich
eine Durchmesservergrößerung auf maximal 1,54 mm. Die Isolationszunahme liegt also
beim Anmeldungsgegenstand um 30 bis 401/o niedriger als bei der eingangs erwähnten
Mischfadenumspinnung.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Isolierung liegt darin,
daß die Folienumspinnung, deren thermische Beständigkeit bei Dauerbelastung von
den Herstellern mit 130° C, bei kurzfristiger Überlastung bis 150° C angegeben ist,
durch die chemische Zusammensetzung der Imprägnierschicht thermisch vergütet wird.
Die dielektrische Durchschlagsspannung der erfindungsgemäßen Isolierung liegt nämlich
bei 5000 Volt und beträgt damit mehr als das Sechsfache derjenigen der eingangs
erwähnten Mischfadenumspinnung. Die erfindungsgemäße Isolierung ist also ohne weiteres
für den Einsatz in der Isolierstoffklasse H (thermische Dauerbelastbarkeit der Isolierstoffe
mit einer Temperatur von 180° C) geeignet. Die überraschend guten Isoliereigenschaften
thermisch gealteter Drähte mit einer Isolierung nach der Erfindung machen sich insbesondere
hinsichtlich des Isolationswiderstandes bei Wasserlagerung vorteilhaft bemerkbar.
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Es war auch nicht ohne weiteres zu erwarten, daß sich bei der Aufbringung
der Folie oberhalb der Glasseidenumspinnung eine ebenso glatte und faltenfreie Oberfläche
erzielen läßt, wie es bei der bekannten Aufbringung der Folie auf einer harten Unterlage
der Fall ist. Die ebenfalls auf den aufsinterungsähnlichen Vorgang zurückzuführende
homogene und äußerst glatte Isolierungsoberfläche der erfindungsgemäßen Isolierung,
die fast die Eigenschaften von reinen Lackdrähten erreicht, ermöglicht ein schnelleres
Einlegen von Spulen in die Nut elektrischer Maschinen. Damit können Wickelzeiten
erreicht werden, wie dies sonst nur bei Lackdrahtwicklungen der Fall ist. Die Oberflächenglätte
und Zähigkeit der Folienumwicklung wirkt sich besonders auf die Abriebfestigkeit
aus. Damit wird auch die Gefahr des gegenseitigen Aufscheuerns beim Einlegen der
Wicklung wesentlich vermindert, wenn nicht sogar völlig aufgehoben. Gleiche Gesichtspunkte
gelten für die Zwischenlagen zwischen Wicklungsteilen. Die glatte Oberfläche der
Drähte ermöglicht außerdem den Füllfaktor der Nut zu erhöhen, wobei zusätzlich berücksichtigt
werden muß, daß der Isolationsauftrag geringer als bei den bekannten Isolierungen
ist.
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Endlich ist durch die erfindungsgemäße Isolierung erreicht, daß der
Anteil des Glasseidenfadens (anorganischen
Anteil der Gesamtisolierung)
und der organische Anteil der zusätzlichen Folienumspinnung beliebig und unabhängig
voneinander geändert werden können, ohne daß dabei auf die Lagerhaltung verschiedener
Mischanteile und Fadendicken beim Umspinnmaterial angewiesen zu sein, wie es bei
der vorbekannten Mischfadenspinnung der Fall ist. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Isolierung von Drähten ermöglicht daher neben der bereits beschriebenen wesentlichen
Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften eine außerordentlich
wirtschaftliche Herstellung. Ferner berücksichtigt die neue Art der Umspinnung eine
Reihenfolge des Isolierungsaufbaues, welche der mechanischen Beanspruchung während
der Verarbeitung und der thermischen Belastung während des Betriebes entspricht.
Träger der thermischen Belastungsfähigkeit ist eine Glasseidenumspinnnung, die mit
bestimmten Bindemitteln auf Silikonbasis beim Umspinnen auf die Leiteroberfläche
aufgeklebt wird.
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Für die Umspinnung kann sowohl eine schmale Folie in Breiten von 3
und 5 mm mit einer gegenseitigen teilweisen Bedeckung vorgesehen werden, als auch
das bekannte Längsbedeckungsverfahren zur Anwendung kommen. Für die Verbesserung
der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Leiterisolierung ist dies ohne
Einfluß.